CN116547503A

CN116547503A - 填充体积测量

Info

Publication number: CN116547503A
Application number: CN202180079249.4A
Authority: CN
Inventors: 彼得·克勒费尔; 温弗里德·迈尔
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2020-11-27
Filing date: 2021-10-28
Publication date: 2023-08-04
Also published as: EP4251959A1; US20240027252A1; DE102020131565A1; WO2022111942A1

Abstract

本发明涉及一种用于确定容器(3)中填充材料(4)的填充体积的测量系统。为此，测量系统包括3D相机(2)和基于雷达的料位测量设备(1)。3D相机(2)用于首先捕获空容器内部的至少一个部分的至少一个3D图像([pi,j])。基于该3D图像([pi,j])，创建数据集或数字空间模型，该数据集或数字空间模型表示空容器内部的至少该部分的几何形状。为了创建所需的三维表面或料位轮廓(L(α，#))，料位测量设备(1)是基于数字波束成形原理，诸如MIMO原理。因此，基于反映容器内部中的几何形状的数据集并且基于料位轮廓(L(α，#))，能够确定容器(3)中的填充体积。

Description

填充体积测量

技术领域

本发明涉及一种测量系统以及一种用于确定容器中填充材料的填充体积的方法。

背景技术

在过程自动化中，对应的现场设备用于捕获相关的过程参数。为了捕获相应的过程参数的目的，因此在相应的现场设备中实现了适当的测量原理，以便捕获过程参数，例如料位、流量、压力、温度、pH值、氧化还原电位或电导率。Endress+Hauser公司制造和销售各种各样的现场设备。

为了测量容器中填充材料的料位，非接触式测量方法已经建立，因为它们稳健并且需要最少的维护。非接触式测量方法的另一个优点是能够半连续地测量料位。因此，基于雷达的测量方法主要用于连续料位测量领域(在本专利申请的上下文中，“雷达”是指频率在0.03GHz和300GHz之间的信号或电磁波)。一种已建立的测量方法是FMCW(“调频连续波”)。例如，基于FMCW的料位测量方法在已公布的专利申请DE 10 2013 108 490 A1中进行了描述。

借助于FMCW方法，可以至少选择性地测量距离或料位。料位被测量的点取决于发射/接收天线的定向或其波瓣的方向(由于天线的一般互易特性，相应天线的波瓣的特性或其波束角与正在进行发射还是接收无关)。针对本专利申请，术语“角”或“波束角”是指波瓣具有最大传输强度或接收灵敏度的角。

在料位均匀的液体填充材料的情况下，选择性料位测量就足够了。在这些情况下，料位测量设备被定向使得天线的波瓣大致垂直向下，并确定与填充材料的距离。如果容器内部的容器几何形状已知，则还能够基于选择性确定的料位值和已知的容器几何形状来确定容器中填充材料的填充体积。为此，容器几何形状能够以表格形式呈现为所谓的储罐表。储罐表将料位值与对应的填充体积相链接。储罐表能够通过利用已知数量或体积的液体填充材料类型的填充材料的对应的校准填充来创建。如果容器几何形状或其尺寸已知，则理论上能够创建储罐表。

在固体状填充材料的情况下，诸如砾石或颗粒，由于块状材料锥体，料位可能不均匀，使得由料位测量设备确定的间歇料位值仅在有限的范围内有意义。因此，特别是在这种情况下，期望能够以三维料位轮廓的形式确定距离或料位。为此，料位测量设备必须被设计为能够将输入的雷达信号分配给相关联的立体角。例如，这能够借助于数字波束整形原理来实现，特别是借助于MIMO原理(“多输入多输出”)。

该原理基于由多个发射和接收天线组成的天线布置。因此，经由每个发射天线向其他发射天线发射正交雷达信号，其中相应反射的信号经由每个接收天线接收，并在必要时进行数字化，以便从数字化的接收信号中确定料位轮廓。特别是，MIMO方法的特征在于其实际上扩大了孔径。因此，与没有实际上扩大的孔径的系统相比，基于MIMO的雷达系统提高了空间分辨率。然而，数字波束整形方法的缺点是能够出现模糊性和角度误差。根据现有技术，实现MIMO原理所需的整个硬件已经能够被紧凑地集成，使得发射天线和接收天线与发射/接收单元一起被容纳作为贴片天线，在公共印刷电路板上，甚至作为联合封装的IC(“集成电路”)。基于MIMO的雷达系统被更详细的描述，例如，在“MIMO radar signalprocessing(MIMO雷达信号处理)”(Jian Li)，2009中。

在固体状填充材料的情况下，有兴趣的是除了料位轮廓外，还能够确定容器中的料位。

但是，储罐表不能用于确定粗糙填充材料表面或对应的填充材料的填充体积，因为基于储罐表确定填充体积需要平滑的水平填充材料表面，只有液体才如此。

此外，取决于填充材料的应用和类型，固体的容器通常不是由几何上简单的主体形成的：为了避免填充材料的堆积，为了更容易填充和排空，或者出于稳定性原因，容器壁通常是弯曲的、倾斜的或波浪形的。此外，容器通常包括固定装置，诸如支架、加热、清洁或维护设备。因此，基于表面轮廓的容器内部几何形状的理论推导仅对于确切已知的容器几何形状是可能的。由于修改和改造而导致的后续变化使得从规划文档中确定容器几何形状变得甚至更加困难。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种测量系统，借助于该系统，即使在非液体填充材料的情况下，也能够确定容器中的填充体积。

本发明通过用于确定容器中填充材料的填充体积的测量系统来实现这一目的，该系统包括以下部件：

-3D相机，其例如被设计为ToF传感器，并且能够被定位成使得记录容器内部的至少一个部分区域的至少一个3D图像，

-基于雷达的料位测量设备，其用于创建容器中的填充材料表面的三维料位轮廓，该设备具有：

○天线布置，借助于该天线布置根据数字波束整形原理(诸如MIMO原理)，能够发射在填充材料的方向上的雷达信号，并且能够在填充材料表面上反射雷达信号后接收对应的接收信号，

○发射/接收单元，其被设计为根据波束整形原理生成雷达信号，并且根据这种波束整形原理，至少基于接收信号，来创建立体角相关的料位轮廓，以及

-评估单元，其被设计为：

о基于至少一个3D图像创建数据集，该数据集表示容器内部的至少部分区域的几何形状，并且

о基于数据集和料位轮廓确定填充体积。

因此，如果容器至少在对应的部分区域中为空，则有必要记录3D图像。

根据本发明，料位测量设备能够被设计例如具有用于3D相机的索环，其中天线布置优选地特别是在料位测量设备的圆形索环周围形成。这允许在安装了料位测量设备时，通过索环将对应紧凑型3D相机引导或降低到容器内部，以记录3D图像。作为料位测量设备或天线布置中的索环的替代方案，3D相机也能够被设计为天线布置的整体部件。此外，评估单元还能够被设计为料位测量设备或发射/接收单元的部件。

对应于根据本发明的测量系统或根据本发明的料位测量设备，本发明基于的目的也是通过用于操作料位测量设备的对应的测量方法来实现的。因此，该方法至少包括以下方法步骤：

-借助于3D相机记录容器内部的至少一个部分区域的至少一个3D图像，

-基于至少一个3D图像，创建数据集，该数据集表示容器内部的至少部分区域的几何形状，

-借助于料位测量设备创建填充材料表面的立体角相关的料位轮廓，以及

-基于数据集和料位轮廓确定填充体积。

在本应用的框架内，术语“3D相机”包括任何系统，借助于该系统，能够将最近物体的相应距离值记录为所选图像区域中的对应像素值。因此，例如，所谓的ToF相机(“time offlight(飞行时间)”)能够被用于此目的，其包括对应的基于半导体的传感器(也称为PMD传感器，“光子混合器件”)。然而，例如，借助于所谓的光场相机或至少两个互连的传统数码相机，也能够实现相同的功能。

在本发明的范围内，术语“单元”原则上是指以适合预期目的的方式设计的任何电子电路。因此，取决于需要，它可以是用于生成或处理对应的模拟信号的模拟电路。但是，它也可以是数字电路，诸如FPGA，或与程序交互的存储介质。在这种情况下，程序被设计为执行对应的方法步骤或应用相应单元的必要计算操作。在此场境中，本发明意义上的测量设备的各种电子单元也能够潜在地访问公共物理存储器或借助于相同的物理数字电路进行操作。

附图说明

下面参照附图对本发明进行更详细的解释。在附图中：

图1：示出在容器上的根据本发明的测量系统，

图2：示出根据本发明的料位测量设备的天线布置的前视图。

具体实施方式

为了理解本发明，图1示出了带有填充材料4的容器3，其填充体积是要捕获的。根据本发明的填充体积的确定是基于借助于容器3的空状态下的测量系统初步确定容器内部的几何形状(至少高达填充材料4的最大料位L_max的高度h)。在随后的操作中，能够借助于存储的容器几何形状和当前测量的料位值L(α，β)与(部分)填充的容器4来确定当前填充体积。

在这种情况下，容器3的高度能够高达超过100m，具体取决于类型和应用领域。

如图1示意性地示出，死角经常出现在容器内部中，例如，由于容器3的外部安装位置，这是必需的。因此，至少在这种情况下，从理论上确定容器几何形状是不切实际的，借助于该几何形状能够关于料位L(α，β)设置填充体积。因此，测量系统包括3D相机2，借助于该相机在容器3的空状态下，容器内部对应的部分区域的3D图像[p_i，j]被最初记录。从3D图像[p_i，j]创建数据集，该数据集表示至少达到最大水平L_max的容器内部的3D坐标或几何形状。为了进一步处理，还能够从此类数据集创建完整的数字空间模型。为了能够记录3D图像，3D相机2可选地定位在容器3内的可变位置或容器3的合适开口处，使得在记录3D图像[p_i，j]之后，不会留下由于任何死角导致的容器内部的阴影部分区域。为了能够确定3D相机2在容器3内的对应位置和/或定向，以便随后计算几何数据或空间模型，例如能够将对应的加速度或惯性传感器分配给3D相机2。

为了确定料位L(α，β)，测量系统包括基于雷达的料位测量设备1，其在容器3上被附接填充材料4上方的已知安装高度h处。料位测量设备1被对准并固定在容器3上，使得其经由天线布置11相对于填充材料表面2的方向上的垂直轴发射相应的雷达信号S_HF。在雷达信号S_HF在填充材料表面处的反射后，料位测量设备1经由天线布置11接收根据基于下式的料位测量设备1与填充材料表面之间的距离d(α，β)而反射的雷达信号R_HF

d(α，β)＝h-L(α，β)

如图1所指示的，填充材料4的表面不是平面的。这尤其能够发生在块状填充材料4的情况下，例如当在填充容器3期间形成块状锥体时。此外，当填充材料4被泵出时，填充材料表面上能够出现圆锥凹陷。为此，料位测量设备1被设计成以三维料位轮廓L(α，β)的形式确定定义的立体角范围[α；β]内的料位L。作为主要测量结果，料位测量设备1确定每次测量的填充材料表面上点网格的对应坐标数据。由此，借助于坐标数据的插值，料位轮廓L(α，β)被生成为三维表面模型。由于立体角范围[α；β]的彼此垂直行进的角α，β各是指从料位测量设备1发出的垂直轴，因此料位轮廓L(α，β)或底层坐标数据最初以极坐标α；β的形式出现。为了将基于极坐标的料位轮廓L(x，y)转换为笛卡尔坐标系，能够使用常见的坐标变换方法转换相应的角α，β(因为由于由料位测量设备1测量，其与相应的测量距离d(α，β)一样是已知的)。

对于料位L(α，β)的立体角相关确定，MIMO原理在控制天线布置11的料位测量设备1的发射/接收单元12中实现为数字波束整形的原理。这意味着发射/接收单元12根据定义的MIMO原理生成要发射的雷达信号S_HF，并根据MIMO原理基于R_HF接收信号创建立体角相关的料位轮廓L(α，β)。结果，料位测量设备1能够为在立体角范围[α；β]内的每个立体角α；β分配对应的料位值L(α；β)。不言而喻，在本发明的范围内，(数字)波束整形的任何其他原理而不是MIMO原理都能够在发射/接收单元12中实现。

经由诸如“PROFIBUS”、“HART”或“无线HART”的接口，料位测量设备1能够被连接到更高级别的单元4，诸如过程控制系统或分散式数据存储设备。料位轮廓L(x，y)；L(α，β)能够经由其发射，例如，以控制容器3的任何流入或流出。此外，还能够传达其它信息，例如关于料位测量设备1的一般操作状态的信息。然而，在本发明的范围内，该接口还能够特别用于在必要时在测量系统内与3D相机2建立直接通信。

在料位测量设备1和3D相机2之间直接通信的情况下，例如，由3D相机2确定的用于确定容器几何形状的3D图像[p_i，j]可能被传输到料位测量设备1。在这种情况下，例如，对应设计的料位测量设备1的评估单元12能够基于数字空间模型的至少一个3D图像[p_i，j]创建数据集，基于该数据集来表示容器内部相关部分区域的几何形状，以便继而由此结合相应当前料位轮廓L(α，β)确定当前填充体积。对应地，还可以设想，数据集或空间模型在将其发射到用于确定填充体积的料位测量设备1之前已经在3D相机2的对应评估单元中创建，借助于该数据集或空间模型描述容器内部相关部分区域的几何形状。

与料位测量设备1和3D相机2之间的直接通信相比，还可能将来自料位测量设备1和3D图像[p_i，j]或已经计算的容器几何数据集的当前料位轮廓L(α，β)从3D相机2发射到上级单元5。

在这种情况下，上级单元5能够充当评估单元，以便基于3D图像[p_i，j]确定容器的几何形状，或者据此结合当前的料位轮廓L(α，β)确定当前的填充体积。

取决于基于容器内部的几何形状和料位轮廓L(α，β)确定填充体积的单元，料位测量设备1的任何角度误差和/或模糊性也能够在那里得到补偿，特别是通过将料位轮廓L(α，β)与容器内部的几何形状相匹配。

如图1所指示的，料位测量设备1被设计有连续的索环13，使得3D相机2能够通过索环13下降，例如在伸缩杆上，进入容器内部以记录所需的3D图像[p_i，j]并相应地旋转。在记录3D图像[p_i，j]之后或在填充容器3之前，将3D相机2从容器内部取出。为此设计的天线布置11的正视图在图2中示出：利用本实施例，天线布置11的发射和接收天线被布置在圆形索环13周围。各个发射或接收天线分别被布置成两排直排，它们在圆形索环13外切向延伸，并且在索环13上彼此相对。与具有在图1和图2中所示的3D相机的集成的索环13的根据本发明料位测量设备1的实施例相比，还可以设想将3D相机设计为天线布置11的固定部件，例如，取代在发射天线和接收天线之间的中间布置成排的索环13。然而，对于该没有更详细地示出的实施例，用于记录3D图像[p_i，j]的潜在视场被减小，使得料位轮廓L(α，β)可以仅在具有低几何复杂度的容器3上确定。

参考标记列表

1 料位测量设备

2 3D相机

3 容器

4 填充材料

5 上级单元

11 天线布置

12 评估单元

13 索环

d 距离，分隔距离

h 安装高度

L(α，β) 料位轮廓

[p_i，j] 3D图像

R_HF 反射的雷达信号

S_HF 雷达信号

α，β 立体角

Claims

1.一种用于确定容器(3)中填充材料(4)的填充体积的测量系统，包括以下部件：

-3D相机(2)，所述3D相机能够被定位成使得记录所述容器内部的至少一个部分区域的至少一个3D图像([p_i，j])，

-基于雷达的料位测量设备(1)，所述基于雷达的料位测量设备用于创建填充材料表面的料位轮廓(L(α，β))，所述基于雷达的料位测量设备具有：

○天线布置(11)，借助于所述天线布置，根据数字波束整形原理，能够发射在所述填充材料(2)的方向上的雷达信号(S_HF)，并且借助于所述天线布置，能够在所述填充材料表面上反射所述雷达信号(S_HF)后接收对应的接收信号(R_HF)，

○发射/接收单元(10)，所述发射/接收单元被设计为根据所述波束整形原理生成所述雷达信号(S_HF)，并根据这种波束整形原理，至少基于所述接收信号(R_HF)，来创建立体角相关的料位轮廓(L(α，β))，以及

-评估单元(12)，所述评估单元被设计为：

○基于至少一个3D图像([p_i，j])创建数据集，所述数据集表示所述容器内部的至少所述部分区域的几何形状，并且

○基于所述数据集和所述料位轮廓(L(α，β))确定所述填充体积。

2.根据权利要求1所述的测量系统，其中，所述3D相机(2)被设计为所述料位测量设备(1)的所述天线布置(11)的部件。

3.根据权利要求1或2中的一项所述的测量系统，其中，所述评估单元(12)被设计为所述料位测量设备(1)的部件。

4.根据权利要求1至3所述的测量系统，其中，所述3D相机被设计为ToF传感器。

5.一种用于借助于根据前述权利要求中的任一项所述的测量系统确定容器(3)中填充材料(4)的填充体积的方法，所述方法包括以下过程步骤：

-借助于所述3D相机(2)记录所述容器内部的至少一个部分区域的至少一个3D图像([p_i，j])，

-基于至少一个3D图像([p_i，j])创建数据集，所述数据集表示所述容器内部的至少所述部分区域的几何形状，

-借助于所述料位测量设备(1)创建所述填充材料表面的立体角相关的料位轮廓(L(α，β))，并且

-基于所述数据集和所述料位轮廓(L(α，β))确定所述填充体积。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，在所述容器(3)至少在对应的部分区域中是空的情况下，记录所述至少一个3D图像。

7.一种用于创建容器(3)中的填充材料(4)的表面的料位轮廓(L(α，β))的料位测量设备(1)，包括以下部件：

-天线布置(11)，借助于所述天线布置，根据数字波束整形原理，能够发射在所述填充材料(2)的方向上的雷达信号(S_HF)，并且借助于所述天线布置，能够在填充材料表面上反射所述雷达信号(S_HF)后接收对应的接收信号(R_HF)，

-发射/接收单元(10)，所述发射/接收单元被设计为根据所述波束整形原理生成所述雷达信号(S_HF)，并且根据所述波束整形原理，至少基于所述接收信号(R_HF)，来创建立体角相关的料位轮廓(L(α，β))，

其中，所述料位测量设备(11)的所述天线布置(11)特别是在所述料位测量设备(1)的圆形索环(13)周围形成，使得通过所述容器内部(3)中的所述索环(13)的3D相机(2)是定向的。

8.根据权利要求7所述的料位测量设备，其中，所述评估单元(12)的所述发射/接收单元(10)被设计为根据MIMO原理生成所述雷达信号(S_HF)，并且根据所述MIMO原理创建所述料位轮廓(L(α，β))。